一种基于IEEE1588的配电网校时方法的研究

邓大为　卢双

摘 要：研究了以IEEE1588为基础的配电网同步技术。分析了配电网通信系统典型的拓扑结构，构建了骨干层、接入层通信模型。重点研究了精确时间同步协议（PTP）下时钟校正的时域分割方法，对配电网络通信节点进行了合理的时钟类型设置，同时为兼顾对时可靠性提出了骨干层与接入层的校时冗余方案的设计，将实现配电网络微秒级别的时间同步精度。

关键词：配电网；精确时间同步协议；时域分割方法；校时冗余

引言

电网时间同步系统是标准时钟源传输时标的重要系统，将通过通信网络中的每一个节点，同步它们的时间，使电网的各种功能能够在统一的时间基准上进行。电网的各项服务功能对电网的时间同步精度有不同程度的要求，例如对电力信息采集、负荷控制和用电精确管理等功能的精度要求为1s，对测量控制系统SCADA的精度要求为10ms，事件顺序记录SOE的精度要求为1ms，线路行波故障定位、相量测量单元PMU等的精度要求为1微秒。目前输电网络中各节点时间同步的精度已经达到了很高的标准。

配电网广域测控技术对于配电自动化的建设是关键的技术支撑，为了实现配电自动化安全测控与分析平台建立，配电网广泛保护与事件分管功能的完善，配电网无缝自愈等功能，配电网的时间同步精度必须要达到微秒级别，但是，目前可以知道的是配电网络覆盖节点的实际的时间同步精度很低，不能满足配电自动化测控技术的要求。因此，我们研究的构建配电网精确时间同步系统对配电自动化系统的建立具有重要意义。

IEEE1588也称为精确时间同步协议（PTP）的分布式测量与控制系统，由校正时间信息包和在底层打时间戳的方式实现微秒级的以太网网络时间同步精度。该协议可以实现多路以太网通信网络，资源利用率低，无需铺设额外的线路，可以降低系统的建设成本。目前，在IEEE1588的在电力系统中的应用研究主要集中在变电站自动化系统，在配电网的应用仍处于起步阶段。对于有大量的成熟的国内和国外厂商支持的IEEE1588协议，其具有带宽大、抗干扰能力强、成本相对较低、误码率低等特点，有高传输速率和良好的安全性，成为光纤通信配送的首选网络通信系统技术。以千兆工业以太网建设配电自动化骨干网，用百兆工业以太网构建配电网自动化接入网的方案已成为构建配电网自动化通信系统的典型方案。基于这一典型方案，文章将在配电网通信系统中采用IEEE1588复用光纤以太网的技术来研究校时系统。

1 基于工业以太网的配电网通信模型

工业以太网的通信组网方式具有灵活多变特点，可分为单、双纤型、链式、星式、树型、环网型、多分支环式等。未来通信网络的发展变革趋势是从线到环，再从环到网，而远方的站点需要冗余的双链链接。根据通信网络应与主馈线相邻，覆盖主节点的原则，同时，考虑到许多因素，如节约成本，明确网络拓扑层次结构，以及是否能满足一定的线路冗余等。图1是基于工业以太网的典型的配电网通信系统拓扑结构。配电网通信系统分为骨干层和接入层。骨干层时间戳覆盖城市区域调度中心和每个变电站。在图1的典型方案中，通过千兆工业以太网动态路由协议，实现数据路由动态过渡。接入层主要用于10kV配电网各层终端接入，覆盖各开闭站、环网柜、配电站、杆顶单元等。接入层为根据工业以太网交换机覆盖的通信汇聚区域范围不同所划定的子环。

2 时钟校正的时域分割方法

基于工业以太网的配电网通信系统的典型拓扑结构可抽象为骨干层结构和接入层结构。考虑每一个通信结构环作为时钟校正时间区域，并将配电主站的交换机节点时钟类型配置为边界时钟（BC），而其他节点被设置为透明时钟（TC）。

在接入层结构环里，我们选择关口交换机作为边界时钟，而其他交换机节点设置为TC。主站交换机接收高精度时钟源消息，以纠正本地节点的时钟时间。因为其他交换机节点被设置为TC，不涉及校正时间本身，在该层中，当主时钟端口通过TC向下一个TC或接入层的网关交换机发送纠错消息时，接入层的所有网关交换机都可以在纠错结束时完成时间同步。接入层所有网关交换机完成时间同步后，每一个又作为主时钟本身，向其他连接的交换机或配电终端发送校正时间消息，校正时间消息通过TC到达下一个TC或连配电终端设备。时钟校正时域分割与节点设置如图2所示。根据分割配置模式能实现校正时间网络在广域的多层统一。

在接入层中，BC校时节点是对时协议工作的边界，从而使得对时的组织严密，多层次，相对独立，具有简单的时间设定过程。关口交换机相当于一个网关的时钟消息源，环网的关口交换机，它被设置为BC，使校正时间系统上下层分离，形成相对独立的对时系统。校正时间系统通过关口交换机广播校正時间信息包，所有的校正时间消息可以发送到每一个定时节点。将关口交换机设置为BC还可以阻止不同层之间的校正时间信息流，减轻线路和设备的通信负荷，提高校正时间系统的稳定性。根据该方法，对时钟校正时间段进行分段，得到了校正后的时间信息可以转移到其10千伏配电网终端设备。这样不仅可以将校正时间误差控制在最小范围，而且还形成任意外延、广域多层统一的校正时间网络。而且，路径时延抖动在对时信息通过节点时就被测量，当主时钟发送到从时钟的时间戳消息时，所有路径时延抖动和关口协议栈抖动都将加入主时钟的信息，从时钟只需要根据本地接收到的时间同步消息，就能够准确地计算出主时钟的时间误差，从而调整自己时钟信息。

3 校时网络冗余的实现

3.1 骨干层冗余的实现

骨干层通信网络的主站节点接收高精度的时钟源信息来同步本地时钟，通过广播校正所有连接于BC节点的TC时钟信息。时钟源的优先级顺序：上级高精度网络时钟，GPS对时装置。当主时钟发送时钟信号失败时，节点通过最佳时钟（BMC）算法自动更新切换到二级备用时钟源，使其成为新的主时钟，从而形成一个新校正时间树。该方案中的校正时间网不需要各站配备GPS时间同步设备。只有一套GPS设备就可以在骨干层形成n-2级冗余的时钟源，大大降低了校正时间系统的成本。当通信环发生故障时，通过保护倒换机制，使新的通信线路产生，环形结构使原来的传输方向数据反转，在这一点上，因为交换机都是TC，其节点不参与生成新的同步树。实现方案的时钟节点如图3所示。

3.2 接入层冗余的实现

当通信网络是直连接入环，其中设置两个关口交换机作为BC，一个关口交换机的优先级高于另一个，这样，时间同步树的形成将更加方便，同时避免了校正时间的冲突。在正常状态下，较高的网络发送精确的时钟到左网关交换机，然后发送精确时钟信息至所有的普通时钟（OC）。当有环保护行为发生时，较高的网络分别向网关两侧发送精确的时钟信号。当上级通信系统出现故障时会产生一个时间孤岛，此时左网关将发送时钟信号到所有OC以及将该关口交换机作为主时钟。当同时有时间孤岛和环保护行为时，可将其看作为两个时间孤岛，在每个时间岛的网关交换机将是校时时钟源。此时应尽快使关口交换机的单项功能恢复，时间孤岛和环保护行为如图4所示。

4 结束语

文章利用IEEE1588技术在工业以太网中的应用，通过构建配电网通信模型，以及合理的讨论和分析选择时钟节点类型，最后构造了一个强大的广域多层时间校正系统的配电网，覆盖所有配电自动化终端节点，校正时间尺度具有良好的发散性。

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